全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用

中铁二十四局集团

福建铁路建设有限公司QC成果

全站仪对边测量

在跨河水准中的应用

中铁二十四局集团福建公司测量QC小组

2006年2月20日

目    录

一、课题介绍  …………………………………………………  1

二、小组概况  …………………………………………………  2

三、选题理由  …………………………………………………  3

四、确定目标  …………………………………………………  3

五、方案选择  …………………………………………………  4

六、制定对策  …………………………………………………  7

七、实施阶段  …………………………………………………  8

八、效果检查  ………………………………………………… 12

九、巩固措施和标准化  ……………………………………… 13

一十、总结及今后的打算  ……………………………………… 14

一十一、附录：小组活动记录一览表 ………………………… 15

一、课题介绍

1、名词解释

(1)全站仪对边测量：根据三角高程测量原理和余弦定理，用全站仪间接地测定远处两测点间的斜距、平距、高差，如图1所示。在P点安置全站仪，测量P至P1、P2的斜距S1、S2和竖直角α1、α2，以及水平角β，即可求得P1P2的平距D和高差h。

制 图：洪 淮 斌    日 期：2004年12月16日

(2)跨河水准：利用各种技术测量江河两岸水准点间高差的过程。

2、工程概况

福州市湾边大桥是福（州）至厦（门）高速公路复线工程的配套控制工程，是福建省重点工程。大桥位于福州市湾边和闽侯县南屿，跨越福州市两大河流之一的乌龙江，大桥全长1874m，其中跨江部分1500m，主航道宽约500m。

该桥桥位靠近闽江口，每天受两次潮汐影响，退潮时除主航道外均为沙滩，徒步可通行。主航道水深且急，徒步无法通行。

为了保证大桥施工放样的精度，保证大桥顺利合龙，必须对设置在两岸上的水准基点进行联测。

3、课题难点和特点

(1)河面宽：既使在完全退潮期间，河面宽度仍有500m左右；

(2)精度高：《规范》规定——桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差≯2mm；

(3)仪器少：公司没有跨河水准测量所需的高精度水准仪和特制觇牌；

(4)时间紧：建设单位要求在1月28日前举行开工典礼，为此项目部要求在1月21日前完成大桥的平面、高程控制测量及施工复测工作。

二、小组概况

1、小组概况

小组名称	中铁二十四局集团福建公司测量QC小组
注 册 号	FTJS:2005-010-012	小组类型	创  新  型
成立日期	2004年12月 1日	登记日期	2004年12月 1日
		重新登记日期	2005年 1月10日
小组人数	5人	QC教育时间	平均48小时以上
活动时间	2004.12.10～2005.3.10	活动次数	8次

制 表：洪 淮 斌    日 期：2004年12月 1日

2、主要成员

序	姓  名	性别	年龄	职  称	文化程度	组内职务及分工
1	洪淮斌	男	32	工程师	大学	组    长
2	王  澄	男	28	助  工	大学	副 组 长
3	林  凡	男	29	助  工	中专	对策实施／记录整理
4	戴天荣	男	34	工程师	大专	对策实施／资料收集
5	刘传标	男	62	高  工	大学	技术顾问

制 表：洪 淮 斌    日 期：2004年12月 1日

三、选题理由

(1)湾边大桥是福建省重点工程，业主、公司、项目部对该工程的施工提出了很高的要求；

(2)湾边大桥主桥为45+90+106+90+45m单肋拱加劲V型撑刚构－连续梁，引桥为预应力连续箱梁，高程控制是施工的关键之一；

(3)《规范》对跨河水准点间高差提出了很高的要求；

(4)公司目前没有配备跨河水准测量所需的高精度水准仪。

四、确定目标

1、活动目标

制 图：洪 淮 斌    日 期：2004年12月13日

2、可行性分析

(1)小组成员具有丰富的工程测量经验，扎实的理论基础；

(2)小组成员具有良好的团队精神和很强的创新能力；

(3)公司和项目部领导非常重视工程实施的每一个环节，并且在人员、设备等方面给予大力支持。

经过分析论证，小组成员一致认为此目标能够实现。

五、方案选择

1、制定方案

通过熟读《规范》、查阅各种专业测量书籍、向兄弟单位咨询，结合现场地形条件和以往的施工测量经验，我们初步拟定了三种可行的跨河水准测量方案。

跨河水准测量方案

编号	测 量 方 案	所 需 的 仪 器 设 备
一	传统的跨河水准测量	S1或S0.5高精度水准仪，特制觇牌
二	光电测距三角高程测量	全站仪或光电测距仪
三	全站仪对边测量	全  站  仪

制 表：王    澄    日 期：2004年12月17日

2、方案比选

为了保证跨河水准测量方案经济可行、结果准确可靠，并能如期完成，我们运用头脑风暴法，对三个方案的优、缺点进行细致、全面的分析讨论，为下一步方案评估以及确保方案顺利实施打下坚实的基础。

跨河水准测量方案优、缺点对照表

	优    点	缺    点
方    案    一	《规范》及各专业书籍中对观测的等级、方法、限差均有明确规定，按部就班即可顺利完成测量任务； 有成熟的经验可供借鉴； 结果的可靠性和准确性较高；	需购置两台高精度水准仪； 需专门制作观测用的觇牌； 需两台仪器同步对向观测； 测量操作较为繁琐，而且要求严格，对观测者、立尺者均有较高要求；
方    案    二	不需要另购仪器，可直接利用公司现有的仪器； 可收集到相关的经验供参考；	需对向观测，要求对向观测的大气条件相同或相近，受天气尤其是大气折光的影响很大； 测量时间较长； 测角的精度要求很高，远距离的高差精度很难保证； 可供参考的成功经验不多；
方    案    三	不需要另购仪器，可直接利用公司现有的仪器； 一次置镜即可完成观测，受天气和环境条件的影响小； 结果直接显示，人为误差小； 测量操作简单、快捷； 结果的可靠性和准确性较高；	可供参考的资料很少； 棱镜高度的量取误差较大； 对全站仪的精度、稳定性、可靠性要求较高；

制 表：洪 淮 斌    日 期：2004年12月23日

3、方案分析及评估

为了保证测量结果准确可靠，并用最经济的方案顺利完成跨河水准测量任务，我们在对三个测量方案的优、缺点进行比较的基础上，进一步对其可行性进行分析，并在小组内采用民主的方法对这三个方案进行评估，由此得出最终的结论。

方案评估时我们借鉴了加权平均的做法，经过充分的讨论，我们筛选出下4个因素作为测量方案评估的主要因素，并根据测量专业的特点确定了各因素的权重，具体如下：a——可靠性，权重为5；b——准确性，权重为4；c——易操作性，权重为2；d——经济性，权重为1。每个因素的满分为5分。

跨河水准测量方案评估表

	可行性分析	评    估							结论
方  案  一	✓多年总结形成的成熟的测量方案，结果的可靠性、准确性都较高，是跨河水准测量的首选； ✓购置仪器需投入2～3万元，还要制作专用的观测觇牌； ✓测量过程较为繁琐； ✓公司缺少这方面的成功经验；		洪	王	林	戴	刘	得分	备选
		a	5	5	4	4	5	115
		b	5	5	4	4	5	92
		c	2	2	1	2	4	22
		d	1	1	1	1	2	6
		合    计						235
方  案  二	✓在理论上是可行的，但影响因素太多，包括大气条件等； ✓测量结果的误差与距离成正比，测量结果的精度不易保证； ✓测量过程最为繁琐； ✓无需增加投入；		洪	王	林	戴	刘	得分	否定
		a	3	3	3	2	2	65
		b	3	3	3	3	2	56
		c	4	3	3	3	2	30
		d	5	5	5	5	4	24
		合    计						175
方  案  三	✓在理论上是可行的； ✓各影响因素的影响值可控制在一定范围内； ✓测量结果可靠性、准确性较高； ✓测量方案简单，易于掌握； ✓无需增加投入；		洪	王	林	戴	刘	得分	首选
		a	5	4	4	3	3	95
		b	5	5	4	4	3	84
		c	5	5	4	5	3	44
		d	5	5	5	5	4	24
		合    计						247

制 表：洪 淮 斌    日 期：2004年12月23日

4、结论

经过综合分析和民主评估，方案三即全站仪对边测量方案以其较高的可靠性和准确性、实施简单、无需增加投入，并可充分挖掘全站仪的潜力等优点受到了小组成员的青睐，一致同意将该方案定为首选方案。

六、制定对策

方案确定后，我们应用5W1H方法，分析论证该方案实施中存在的问题和难点，并制定了相应的对策，具体如下表：

全站仪对边测量方案对策表

序	问  题	对  策	目  标	措  施	负责人	时  间
1	测角精度对测量结果影响大	提高角度测量精度	测角精度的影响值控制在可接受的范围内	使用经检定合格的高精度的全站仪；选择合适的天气和地形；减少仪器系统误差	洪淮斌 林  凡	2004.12.31 ～ 2005. 1.20
2	棱镜高度误差大、棱镜下沉	提高棱镜量高精度，降低下沉影响	误差控制在1mm以内	采用水准仪测量棱镜高度；观测过程中多次量取棱镜高；优化对边测量观测顺序	洪淮斌 王  澄	2004.12.31 ～ 2005. 1.20
3	大气折光、地球曲率及环境的影响	降低影响的程度	将影响降低到可接受的程度	通过查阅资料、现场调查，借鉴他人成功经验；优化跨河位置；	洪淮斌 戴天荣	2004.12.31 ～ 2005. 1.10
4	应观测多少测回，限差如何控制	确定观测的测回数和限差计算公式	保证测量结果的准确性和可靠性	从理论上分析计算所需测回数；通过查阅资料，确定观测限差的计算公式	洪淮斌	2004.12.31 ～ 2005. 1.20

制 表：林    凡    日 期：2004年12月31日

七、实施阶段

1、实施一：制定措施，提高测角精度，保证成果精度

为了保证所制定的措施更有针对性，我们首先从对边测量的原理入手，运用误差理论对其进行分析。

根据全站仪对边测量原理，由误差传播定律可得，全站仪对边测量高差的中误差公式如下：

其中，。则由此可知，高差误差的主要来源是距离、和测角精度，为此我们采取了如下措施：

(1)使用公司拥有的测角精度为1″的全站仪TOPCON GTS601。

(2)确保仪器处于正常的合格状态：该仪器1个前刚刚经省计量检定站检定合格，各项技术指标均符合其标称值。

(3)选择合适的天气施测对边测量：选择在风力微弱以及气温变化较小、呈像清晰稳定的阴天进行。

(4)选择最佳的地形：经过多次实地踏勘，我们巧妙地利用北岸河堤丁坝和码头这些有利地形（如图2），不仅缩短了跨河的距离，而且使前、后视边长接近，两岸临时水准点高程相近且与置镜点的高差都很小。这避免了观测过程中全站仪多次调焦所带来的影响，提高了测角、测距的精度。

制 图：戴 天 荣    日 期：2005年 1月12日

(5)观测时，全站仪微调螺旋最后旋转方向均为“旋进”，并严格按有关操作要求进行作业。

2、实施二：采用水准仪量高法，提高棱镜高测量精度

如果采用钢尺按斜量法量取棱镜高度，其精度约为±2～3mm，对于高精度的跨河水准来说，这个精度显然是无法接受的。同时，主航道南侧的临时水准点设在沙滩上，观测过程中棱镜的下沉是在所难免的，如何减少这方面的影响这也是我们应考虑和研究的问题。

(1)经过查阅资料和论证，我们采用水准仪法测量棱镜的高度，将其精度提高到±0.2mm。具体做法如下：

在离棱镜2.5～3.5m处安置水准仪，用直尺（毫米刻划）的零点对准棱镜觇牌中心，用水准仪读出直尺上的读数，估读至0.1mm。对边观测前、后及观测半数测回时各读取一次直尺的读数，取其平均值；移去棱镜后，立即在转点上立水准尺，并用直尺对准水准尺的整数刻划，用水准仪读出直尺上的读数，估读到0.1mm，再加上水准尺的整数刻划。这两个数值之差即为棱镜高。

(2)对边测量观测前、后及观测到半数测回时各用水准仪测量一次棱镜，取其平均值。

(3)对边测量的观测顺序进行优化调整：奇数测回的观测顺序为“后－前－前－后”，偶数测回的观测顺序为“前－后－后－前”。

3、实施三：优化跨河方案，减少大气、环境的影响

全站仪对边测量的基本原理还是三角高程测量，因此大气折光、地球曲率等因素对测量结果的影响是不容忽视的。为此，我们采取了如下措施：

(1)查阅大量的资料，借鉴三角高程测量的成功经验。

(2)采用推荐的大气折光系数0.13，并输入全站仪中实时进行改正。

(3)测量全站仪仪器中心附近的温度（读记至0.2℃）和大气压（读记至1Pa），并输入全站仪中实时进行改正。

(4)观测前打开仪器箱半小时以上，以使仪器温度与环境温度一致。

(5)前后视边长、高差相近，减少地球曲率、大气折光的影响。

(6)两岸的临时水准点到水边的距离、距水面的高度相近，保证前后视线通过的环境相近，降低环境条件的影响。

4、实施四：理论分析计算，确定对边测量的测回数和限差

由于规范中没有全站仪对边测量用于跨河水准测量的资料，仅有光电测距三角高程应用于四、五等测量的资料。为了保证测量成果的可靠性和准确性，我们从理论上进行分析计算。

(1)测回数的确定：

我们拟采用的全站仪测角精度为1″，测距精度为2mm+2ppm，根据现场情况，前、后视的竖直角均不会大于5°，距离均不大于600m，分析时我们取，，根据对边测量高差的中误差计算公式有：

也就是说，在此条件下，全站仪对边测量观测一测回的高差值的中误差为4.14mm，如果观测5个测回，其高差中误差为，就完全能够满足《规范》中“桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差不应大于2mm”的要求。

(2)测量限差的确定

《规范》规定光电测距三角高程对向观测较差的限差为：

《规范》规定水准仪跨河水准测量各测回高差互差的限差为：

经过分析比较，我们采用后者作为高差观测一测回较差的限差。

八、效果检查

1、实测结果

根据分析论证结果，我们于2005年1月20日组织实测，经过计算和验证，测量取得了成功。测量结果如表1所示。

湾边大桥对边测量(跨河水准)成果表

测回	对 边 测 量 结 果				棱 镜 高 度		高 差 （m）
	dD	dh	高 差互 差	高  差 均  值	LBM1	LBM2
1	402.6840	1.3912	-10.0	1.3962
	402.6748	-1.4012
2	402.6766	1.3948	-6.0	1.3978
	402.6672	-1.4008
3	402.6840	1.3900	-8.6	1.3943
	402.6772	-1.3986
4	402.6814	1.3880	-9.2	1.3926
	402.6770	-1.3972
5	402.6792	1.3930	-9.6	1.3978
	402.6762	-1.4026
6	402.6798	1.3986	-9.4	1.4033
	402.6802	-1.4080
均值	402.6781		±19.8	1.3970	1.4265	1.5092	1.3143

制 表：林    凡    日 期：2005年 1月20日

实测D1＝501.3638m，D2＝458.22m，，则实测的高差中误差为：

计算结果表明，测量结果满足规范要求，达到了我们预期的目标。我们的测量结果同时也通过了监理单位的验证。

2、经济效益

通过此次QC活动，一方面节省了购置高精度水准仪的费用2万多元；另一方面，本方案大大缩短了水准路线的长度，仅用时一个半小时就完成了全桥的高程控制测量，大大提高了工作效率。

3、技术效益

通过此次QC活动，我们对全站仪的应用有了进一步的认识，改变了一些组员“全站仪就是测角、测距和坐标放样的工具”的片面看法。同时，总结出一种新的跨河水准测量方法，这让我们在今后的工程实践中又多一种选择。

4、社会效益

我们的跨河水准测量方案得到了监理单位的好评，监理单位对我们的工作态度、业务能力给予了充分肯定。

本次QC活动的成功，极大地鼓舞了小组的每一个成员，增强了大家的自信心，也进一步增强了团队的凝聚力和创造力，培育了小组成员勇于开拓、敢于创新的精神。了强代行箱半小时以上以使仪器适应环境温度，挖掘全站仪的潜力，受到________________________________________________________________________________________________

九、巩固措施与标准化

我们已将本次测量的方案形成《作业指导书》，并被收编到公司的《工程施工测量指导书》中，在公司内推广。另外还撰写发表论文一篇“全站仪对边测量技术在跨河水准中的应用”，详细介绍了测量的实施、精度的控制以及测量中应注意的事项，供广大同行在类似工程中借鉴。

一十、总结及今后打算

通过本次QC活动，完成了我们制定的“精确、高效”的目标，为湾边大桥的如期顺利开工创造了有利条件；进一步挖掘和发挥了施工单位的常规武器——全站仪的功能；增强了小组成员对QC知识的了解和应用，以及综合运用专业知识的能力。从小组的自我评分表也可以看出每个组员对本次活动的真正体会！

小组自我评分表

项    目		质量改进意识	解决问题能力	QC知识水  平	顾客满意程度	团  队 精  神
自我评价	活动前（分）	2	2	2	4	3
	活动后（分）	4	4	4	5	5

制 表：洪 淮 斌    日 期：2005年 3月10日

这次QC活动虽然达到了预期的目标，结果令人满意，但我们在实施过程中也发现了一些问题，比如：棱镜高度的量取方式虽然精度高，但操作略嫌麻烦，而且这各方法需要的人员、工具也较多，有没有更合适的方法呢？还有能否采用GPS（全球卫星定位系统）实现跨河水准测量呢？这些将是我们测量QC小组今后要重点攻关课题！

附：

小组活动记录一览表

序号	活动时间	活动内容	参加人数	主持人
1	2004.12.10	确定课题、人员分工、活动计划	5	洪淮斌
2	2004.12.13	确定活动目标及目标可行性分析	5	洪淮斌
3	2004.12.17	提出各种测量方案	5	洪淮斌
4	2004.12.23	研究、分析、确定最佳测量方案	5	洪淮斌
5	2004.12.31	制定对策，研究实施方案	5	洪淮斌
6	2005. 1.20	方案实施	5	洪淮斌
7	2005. 1.21	实施效果检查	5	洪淮斌
8	2005. 3.10	制定巩固措施及活动总结	5	洪淮斌

制 表：洪 淮 斌    日 期：2005年 3月10日